ЕФЕКТИВНА ДІЕЛЕКТРИЧНА ПРОНИКНІСТЬ 3D-ДРУКОВАНИХ СТРУКТУР З УДАРОМІЦНОГО ПОЛІСТИРОЛУ У МІКРОХВИЛЬОВОМУ ДІАПАЗОНІ

Анотація

Мета. Встановити залежність ефективної діелектричної проникності 3D-друкованих структур з удароміцного полістиролу (HIPS) із гіроїдним заповненням від фактичної об'ємної частки полімерної фази у діапазоні частот 4–20 ГГц та оцінити придатність класичних моделей ефективного середовища для аналітичного опису цієї залежності.

Методика. Вимірювання виконано методом вільного простору на настільному стенді Compass Technology Group у діапазоні частот 4–20 ГГц. Досліджено 3D-друковані зразки з HIPS товщиною 10 мм із номінальним гіроїдним заповненням від 10 до 100%, а також контрольний зразок поліетилену високої густини PE-300 товщиною 10 мм. Ефективну діелектричну проникність визначено за виміряними S-параметрами програмним забезпеченням Compass Technology Group. Для перевірки чисельної узгодженості алгоритмів відновлення ті самі S-параметри додатково опрацьовано за методом Ніколсона–Росса–Вейра. Одержані залежності апроксимовано лінійною моделлю змішування та моделями Максвелла–Гарнетта, Лойенги і симетричною моделлю Бруггемана відносно фактичної об'ємної частки полімеру, визначеної за масою та зовнішнім об'ємом зразків. Залежність від номінального ступеня заповнення розглянуто як інженерну кореляцію з параметром слайсера. Внутрішню архітектуру зразків інтерпретовано за допомогою ідеалізованої нормованої моделі листового гіроїда, побудованої на тричі періодичній мінімальній поверхні.

Результати. Для контрольного зразка PE-300 із поліетилену товщиною 10 мм отримано середнє значення ε′ = 2,3996 у діапазоні частот 4–20 ГГц. Різниця між результатом програмного забезпечення Compass Technology Group і NRW-відновленням із тих самих S-параметрів становила приблизно 0,02%, що свідчить про чисельну узгодженість застосованих алгоритмів обробки. Для гіроїдних зразків установлено монотонне зростання ε′ від 1,1224 до 2,4855 зі збільшенням номінального заповнення від 10 до 100%. Апроксимація за фактичною об'ємною часткою полімеру виявилася істотно точнішою, ніж за номінальним заповненням. За окремої оптимізації ε′p для кожної моделі найменший RMSE забезпечила модель Максвелла–Гарнетта (0,0077); при фіксованому ε′p = 2,4855 ранжування змінилося на користь моделей Лойенги та Бруггемана.

Наукова новизна. Для 3D-друкованих структур з удароміцного полістиролу із гіроїдним заповненням одержано експериментальну залежність ефективної дійсної частини діелектричної проникності від фактичної об'ємної частки полімеру у широкому діапазоні частот (4–20 ГГц). Установлено, що ранжування моделей ефективного середовища залежить від способу визначення об'ємної частки полімерної фази та від способу задання ε′p: за вільної оптимізації ε′p найменший RMSE отримано для моделі Максвелла–Гарнетта, тоді як при незалежному фіксуванні ε′p для моделей Лойенги та Бруггемана.

Практична значимість. Одержана залежність може бути використана для попереднього вибору параметрів внутрішньої архітектури під час проєктування легких полімерних НВЧ-компонентів із регульованою ефективною проникністю. Зокрема, одержані залежності можуть бути використані при розробці метаматеріалів для радіочастотного поглинання, градієнтних лінз, узгоджувальних шарів та радіопрозорих конструкцій.